我國模具CAD/CAE/CAM/PDM發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展建議

中國模協(xié)技術(shù)委員會 李德群(執(zhí)筆)

1 我國模具CAD/CAE/CAM/PDM發(fā)展現(xiàn)狀

模具CAD/CAE/CAM是改造傳統(tǒng)模具生產(chǎn)方式的關(guān)鍵技術(shù),是一項高科技、高效益的系統(tǒng)工程。它以計算機(jī)軟件的形式,為企業(yè)提供一種有效的輔助工具,使工程技術(shù)人員借助于計算機(jī)對產(chǎn)品性能、模具結(jié)構(gòu)、成形工藝、數(shù)控加工及生產(chǎn)管理進(jìn)行設(shè)計和優(yōu)化。模具CAD/CAE/CAM技術(shù)能顯著縮短模具設(shè)計與制造周期,降低生產(chǎn)成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量已成為模具界的共識。

隨著CAD/CAM/CAE軟件及其他應(yīng)用軟件的普及應(yīng)用,計算機(jī)產(chǎn)生的各種類型、格式各異的數(shù)據(jù)資料,如市場分析報告、產(chǎn)品設(shè)計信息、加工圖紙、零件加工工藝、數(shù)控加工程序清單、仿真測試結(jié)果分析及各種說明書等,迅速增加。如何有效管理這些異構(gòu)數(shù)據(jù)資料成為了企業(yè)面臨的一大難題。PDM系統(tǒng)作為一個信息溝通平臺,可對企業(yè)的各種產(chǎn)品及其相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理,并在產(chǎn)品整個的開發(fā)過程中協(xié)助管理者對開發(fā)過程進(jìn)行有效控制和管理。與此同時,設(shè)計人員在產(chǎn)品生命周期內(nèi)的各個環(huán)節(jié)與產(chǎn)品過程相關(guān)的各個地方均能及時、準(zhǔn)確地獲取產(chǎn)品的相關(guān)信息,并對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行一定權(quán)限范圍內(nèi)的操作。這種產(chǎn)品數(shù)據(jù)的高度集成和共享,使得新產(chǎn)品的開發(fā)時間和成本大為縮減。

“十一五”期間,我國模具 CAD/CAE/CAM/PDM技術(shù)取得了長足的進(jìn)步,具體表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的系列CAD/CAM/CAE品牌軟件

華天軟件、中創(chuàng)軟件與日本最大的CAD/CAM軟件公司UEL合作,結(jié)合日本工業(yè)界最佳實踐,采取引進(jìn)、消化、吸收、再創(chuàng)新的方式,開發(fā)完成具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的三維CAD/CAM軟件SINOVAT ION V1.0。這標(biāo)志著我國在三維CAD/CAM軟件研發(fā)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大突破。SINOVATION軟件是三維CAD/CAM一體化的應(yīng)用軟件系統(tǒng),該軟件具有最先進(jìn)的混合型建模、參數(shù)化設(shè)計、豐富的特征造型功能。提供了經(jīng)過業(yè)界驗證的具有國際先進(jìn)水平的CAM加工,沖壓模具、注塑模具等應(yīng)用技術(shù)。特別適合汽車、汽車零部件、機(jī)床、通用機(jī)械、模具及工藝裝備等行業(yè)的設(shè)計及加工應(yīng)用。SINOVATION沖壓模具設(shè)計解決方案為專業(yè)設(shè)計人員提供了一套經(jīng)過業(yè)界驗證的CAD解決方案組合,包括高效的沖壓工藝設(shè)計、精確的沖壓回彈補償和專業(yè)的沖壓模具結(jié)構(gòu)設(shè)計等功能。SINOVATION注塑模設(shè)計與加工解決方案是根據(jù)注塑模具設(shè)計、制造經(jīng)驗,將產(chǎn)品成形工藝與工程分析軟件相結(jié)合,開發(fā)的適用于注塑模具設(shè)計專用的軟件包。方案以三維參數(shù)化建模CAD軟件為基礎(chǔ),涵蓋了從零件設(shè)計、分析、自動分模創(chuàng)建模具、電極設(shè)計、工程圖創(chuàng)建等整個過程,體現(xiàn)出高品質(zhì)、靈活、高效的設(shè)計理念,為注塑模具設(shè)計工作提供了專業(yè)的技術(shù)應(yīng)用平臺。

CAXA系列化軟件在開發(fā)自主知識產(chǎn)權(quán)的知名品牌的道路上不斷取得新成果,如新一代集成軟件CAXA V5PLM 首次將成熟的 2D、3D、CAPP、MPM和DDM技術(shù)在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上進(jìn)行整合,覆蓋了從概念設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計、工藝流程到生產(chǎn)制造管理的各個環(huán)節(jié),并通過數(shù)字化仿真幫助企業(yè)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)制造的整個過程。

上海模具CAD國家工程研究中心在國內(nèi)較早地開始了基于知識的工程技術(shù)(KBE)研究,在塑性成形和模具設(shè)計知識的獲取與表示、知識的推理機(jī)制、知識的集成與管理以及知識的發(fā)現(xiàn)等KBE關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行了行之有效的研究,形成了適用于不同行業(yè)、不同類型KBE系統(tǒng)的一整套開發(fā)思路及相關(guān)的KBE應(yīng)用軟件。

華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室開發(fā)的注塑成形模擬軟件“華塑CAE”,鑄造成形模擬軟件“華鑄CAE”和板料成形模擬軟件“FASTAMP”又有新發(fā)展。目前研究的重點是微宏觀分析相結(jié)合,數(shù)值計算和人工智能相結(jié)合,目標(biāo)是將模擬軟件由傳統(tǒng)的被動式計算工具提升為主動式優(yōu)化系統(tǒng)。隨著應(yīng)用的不斷深入和廣泛,系列化模擬軟件華塑CAE、華鑄CAE和FASTAMP已成為我國模具行業(yè)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的主導(dǎo)技術(shù)和知名品牌。

湖南大學(xué)以先進(jìn)沖壓CAE技術(shù)為突破口,開發(fā)出一套包括沖壓工藝設(shè)計和汽車覆蓋件模具設(shè)計和制造的系列化軟件。其沖壓仿真CAE自動建模系統(tǒng)CADEM-Ⅰ能利用模具表面數(shù)控軌跡數(shù)據(jù)作為網(wǎng)格生成的幾何數(shù)據(jù)源,使建模效率成倍提高,對于汽車覆蓋件成形,在同樣精度下可使仿真模型網(wǎng)格單元減少近 20%～40%。沖壓仿真CAE系統(tǒng)CADEM-Ⅱ采用先進(jìn)的理論和算法,在保證沖壓件大變形計算精度的前提下顯著地提高了分析速度。沖壓工藝分析與設(shè)計系統(tǒng)CADEM-Ⅲ采用殼體失穩(wěn)理論預(yù)測覆蓋件成形中的起皺趨勢,采用基于仿真的毛坯反算技術(shù),實現(xiàn)了復(fù)雜零件的毛坯形狀和尺寸的迭代反求。

(2)廣泛采用了CAD/CAE/CAM技術(shù)并在應(yīng)用中取得了顯著效益

其中最大的技術(shù)進(jìn)步無疑是三維CAD方面的重大突破。一汽模具、天汽模、東風(fēng)模具、福田濰坊模具等企業(yè)的三維CAD普及率達(dá)到100%。其他骨干企業(yè)正在加快進(jìn)行二維CAD到三維CAD的過渡。國外的有些知名企業(yè)至今也尚未做到100%的三維CAD。由于采用三維CAD技術(shù),使過去分散在各個信息孤島的CAD、CAE、CAM 連成一片,實現(xiàn)了一體化,為模具全程數(shù)字化制造提供了技術(shù)基礎(chǔ)。少數(shù)企業(yè)的整個流程已完全實現(xiàn)了數(shù)字化加工和無圖化生產(chǎn),正在為將來的自動化加工和柔性生產(chǎn)積極創(chuàng)造條件。

一些先進(jìn)企業(yè)在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后,采用截面檢查、干涉檢查、靜態(tài)運動干涉檢查、運動模擬等分析手段,真實反映模具的實際工作狀態(tài),保證了實體設(shè)計的可靠性。

CAE分析普及率明顯提高,少數(shù)企業(yè)已達(dá)到100%,CAE不再是高不可攀的技術(shù),更不是束之高閣的擺設(shè),而是一個必不可少的工具,它幫助設(shè)計者在設(shè)計階段“先知先覺”,對模具調(diào)試時可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行處理,做到“防患于未然”。

在參數(shù)化設(shè)計方面也取得了長足的進(jìn)步。國內(nèi)一些骨干企業(yè)已建立了模具基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖庫,還建立了標(biāo)準(zhǔn)件圖庫。利用參數(shù)化手段,根據(jù)模具結(jié)構(gòu)特點,選擇基礎(chǔ)構(gòu)架,設(shè)計者只需要控制幾個基本的特征參數(shù),系統(tǒng)將會根據(jù)事先輸入到計算機(jī)中的結(jié)構(gòu)規(guī)則,自動提供合理的結(jié)構(gòu)方案,設(shè)計者只需做少許調(diào)整和裝配即可完成設(shè)計。設(shè)計規(guī)則的引入,使三維實體模具結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到了一個更高的層次。

(3)PDM技術(shù)不斷發(fā)展

目前,國外的公司已開發(fā)出一些產(chǎn)品功能齊全、開放性好、思想新穎、技術(shù)先進(jìn)的PDM產(chǎn)品。如UGS公司的IMAN,IBM公司的Product Manager,SDRC公司的Metaphase,PTC公司的Windchill等,這些產(chǎn)品在波音、IBM、福特汽車、通用汽車等公司得到推廣應(yīng)用,取得了成功。國內(nèi)的一些企業(yè),如春蘭、海爾、長虹和康佳等采用IMAN系統(tǒng),西安飛機(jī)設(shè)計所采用IBM的PM系統(tǒng),也取得了一定的成功。與此同時,國內(nèi)的軟件廠商也紛紛推出了自己的PDM產(chǎn)品,如武漢天喻公司的IntePDM,武漢開目技術(shù)集成公司的KMPDM,清華同方軟件公司的TFPDMS等。國產(chǎn)的PDM系統(tǒng),無論是在功能上、技術(shù)上、思想上還是穩(wěn)定性方面與國外的產(chǎn)品都有較大的差距,但在價格和定制程度方面有一定優(yōu)勢,因此在國內(nèi)的一些企業(yè)中也得到應(yīng)用,如天喻公司的IntePDM系統(tǒng),同方公司的TFPDM系統(tǒng),大恒公司的DHPDM系統(tǒng)等。

2 我國模具CAD/CAE/CAM/PDM與國際先進(jìn)水平的主要差距

與國外發(fā)達(dá)國家相比,我國模具 CAD/CAE/CAM/PDM技術(shù)發(fā)展水平還很低,差距很大。主要表現(xiàn)在以下方面:

(1)軟件開發(fā)進(jìn)度和水平低

目前三維CAD/CAM軟件的核心技術(shù)目前仍掌握在歐美日等發(fā)達(dá)國家手中,占主流地位的模具CAD軟件主要有Pro/E、I-DEAS、UG等,中國的三維CAD/CAM市場幾乎被國外產(chǎn)品完全壟斷。每年中國制造企業(yè)采購三維CAD/CAM軟件的金額高達(dá)幾十億元,而且還在以每年20%的速度遞增。這種尷尬局面不僅使得制造企業(yè)承受了高昂的成本壓力,而且支撐產(chǎn)品創(chuàng)新的核心工具受制于人,存在重大的信息和知識產(chǎn)權(quán)安全隱患。而我國CAD/CAE/CAM/PDM技術(shù)研究開發(fā)未能很好地有組織、有計劃、有重點地進(jìn)行,造成低水平重復(fù)勞動,影響了軟件開發(fā)的進(jìn)度和水平的提高,無論是在功能上、技術(shù)上、思想上還是穩(wěn)定性方面與國外的產(chǎn)品都有較大的差距。

(2)CAD/CAM應(yīng)用水平差距明顯

在國內(nèi)的模具生產(chǎn)中,CAD/CAM技術(shù)已得到廣泛的應(yīng)用。但對于國內(nèi)一些大型模具企業(yè),它們的CAD/CAM應(yīng)用狀況多停留在從國外購買先進(jìn)的CAD/CAM系統(tǒng)和設(shè)備,在其上進(jìn)行的二次開發(fā)較少,資源利用率低;國內(nèi)一些中小型模具企業(yè)CAD/CAM 應(yīng)用很少,有些僅停留在以計算機(jī)代替畫板繪圖。

(3)CAE沒有得到廣泛應(yīng)用

CAE在我國模具行業(yè)的應(yīng)用還剛剛起步,只是在經(jīng)濟(jì)實力雄厚的企業(yè),例如一汽、東風(fēng)、海爾等單位,才購買了少量的商品化軟件,開始嘗試應(yīng)用。

(4)信息集成技術(shù)落后

信息技術(shù)的廣泛集成是以產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)和過程管理(PM)為基礎(chǔ),實現(xiàn)CAD/CAM和ERP的有機(jī)集成,在并行工程中PDM也是重要的基礎(chǔ)。而我國在這方面的研究剛剛開始,至今也沒有一個在國內(nèi)市場上成熟的PDM系統(tǒng)。因此,這類基礎(chǔ)性軟件也被國外的系統(tǒng)占領(lǐng)了市場。

(5)CAD/CAE/CAM缺乏知識的集成

由于缺乏對設(shè)計知識的集成,模具設(shè)計方案的選擇、工藝參數(shù)與模具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、成形性能的評價等依然依賴著模具設(shè)計者的經(jīng)驗。設(shè)計知識是企業(yè)最有價值的智力資產(chǎn),是企業(yè)競爭力的保障。在目前的注射模設(shè)計行業(yè),這些知識主要以經(jīng)驗的形式由資深設(shè)計工程師所掌握,隨著他們的退休與流失必將造成企業(yè)核心技術(shù)的流失,將直接導(dǎo)致企業(yè)競爭力下降。在國外已廣泛應(yīng)用知識型CAD/CAM系統(tǒng),如美國 UGS公司的多工位級進(jìn)模設(shè)計向?qū)AD系統(tǒng)(Progressive Die Wizard)和注塑模設(shè)計向?qū)AD系統(tǒng)(Mold Wizard),兩系統(tǒng)均無縫地集成于該公司的三維機(jī)械CAD/CAM系統(tǒng)UG中,為用戶提供了級進(jìn)模和注塑模設(shè)計環(huán)境與工具,封裝了模具設(shè)計的專家知識,提供了豐富的標(biāo)準(zhǔn)化的模架庫、零件庫和鑲件庫。

造成上述差距的原因很多,除了歷史上長期以來未將模具作為產(chǎn)品得到應(yīng)有的重視之外,還有下列幾個主要原因:

(1)科研開發(fā)及技術(shù)攻關(guān)投入太少。由于模具企業(yè)效益欠佳及對科研開發(fā)和技術(shù)攻關(guān)不夠重視,投入太少,科研單位和大專院校又將主要精力放在創(chuàng)收上,致使模具行業(yè)科技進(jìn)步的步伐不大,進(jìn)展緩慢。

(2)人才嚴(yán)重不足。模具行業(yè)是技術(shù)密集、資金密集、勞動密集的產(chǎn)業(yè),隨著時代的進(jìn)步和技術(shù)的發(fā)展,掌握和運用新技術(shù)的人才異常短缺,技術(shù)素質(zhì)較高的模具設(shè)計、制造工藝技術(shù)人員、技術(shù)工人及企業(yè)管理人才也非常緊缺。尤其缺乏知識面寬、知識結(jié)構(gòu)層次高的復(fù)合型人才。

(3)缺少先進(jìn)的技術(shù)設(shè)備力量。我國大部分模具廠、車間的模具加工設(shè)備陳舊,在役期長、精度差、效率低。近年來也引進(jìn)了不少先進(jìn)的模具加工設(shè)備,但過于分散,或不配套,利用率一般僅有25%左右,設(shè)備的一些先進(jìn)功能也未能得到充分發(fā)揮。

(4)管理落后更甚于技術(shù)落后。技術(shù)落后往往容易看到,管理落后有時卻難以意識到。國內(nèi)外模具企業(yè)管理上的差距十分明顯,管理的差距所帶來的問題往往比技術(shù)上的差距更為嚴(yán)重。

3 我國模具CAD/CAE/CAM/PDM發(fā)展目標(biāo)和主要任務(wù)

“十二五”期間,我國模具行業(yè)的主要目標(biāo)是全面推廣CAD/CAE/CAM/PDM/PDM技術(shù),主要任務(wù)是:

(1)開發(fā)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)、適合于我國國情,具有較高水平的模具設(shè)計、加工及模具企業(yè)管理軟件,不斷提高軟件的智能化、集成化程度,并推廣應(yīng)用。

(2)研究模具的分類學(xué)及模具結(jié)構(gòu)的參數(shù)規(guī)范,實現(xiàn)模具零部件的標(biāo)準(zhǔn)化、參數(shù)化,并形成模具CAD/CAM系統(tǒng)軟件的支持軟件;

(3)實現(xiàn)3D一體化設(shè)計。目前的模具設(shè)計主要采用3D設(shè)計和2D設(shè)計相結(jié)合的方法,在開發(fā)中存在易出錯、效率低、質(zhì)量不易控制等問題,因此需要實現(xiàn)設(shè)計過程的全三維化。通過數(shù)據(jù)共享技術(shù)實現(xiàn)各階段各種應(yīng)用軟件的有效集成,達(dá)到模具設(shè)計的一體化。

(4)深入研究模具的整體優(yōu)化技術(shù),包括模具成本估算、模具的可裝配性、模具的成形性及可靠性,集成到模具行業(yè)普遍采用的通用造型設(shè)計系統(tǒng)上,完成面向制造的模具CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的開發(fā)。

(5)研究模具設(shè)計、制造參數(shù),通用、標(biāo)準(zhǔn)、參數(shù)化構(gòu)件及由經(jīng)驗構(gòu)成的專家系統(tǒng),并使之形成模具CAD/CAE/CAM數(shù)據(jù)庫。

(6)加快PDM技術(shù)的發(fā)展,由單一的計算機(jī)信息管理擴(kuò)展到“管理所有與產(chǎn)品相關(guān)的信息和所有與產(chǎn)品相關(guān)的過程的技術(shù)”,實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的高度集成和共享。

(7)促進(jìn)我國模具骨干企業(yè)全面采用模具CAD/CAM/CAE/PDM生產(chǎn)技術(shù)。

4 產(chǎn)品和技術(shù)等方面的發(fā)展重點和重大課題

4.1 發(fā)展重點

(1)三維CAD/CAM技術(shù)的研發(fā)。開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的模具CAD/CAE軟件,達(dá)到國際先進(jìn)水平。

(2)國產(chǎn)模具CAE軟件的功能升級,形成國際知名的自主品牌。

(3)國產(chǎn)PDM系統(tǒng)的研發(fā)。完善功能,提高性能穩(wěn)定性,加強(qiáng)推廣應(yīng)用。

(4)模具數(shù)字化設(shè)計制造系統(tǒng)的研發(fā)。

(5)模具CAD/CAE/CAM一體化技術(shù)推廣應(yīng)用。

(6)逆向工程、并行工程、敏捷制造技術(shù)的研發(fā)及推廣應(yīng)用。

(7)模具的集成、柔性及自動加工技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)虛擬技術(shù)的研發(fā)與推廣應(yīng)用。

4.2 重大課題

(1)關(guān)鍵產(chǎn)品模具數(shù)字化設(shè)計制造系統(tǒng)研發(fā),如沖壓工藝設(shè)計系統(tǒng)、模具型面設(shè)計系統(tǒng)、成形分析系統(tǒng)、模具結(jié)構(gòu)設(shè)計系統(tǒng)、模具CAM 系統(tǒng)和沖壓專家咨詢系統(tǒng)的車身模具數(shù)字化設(shè)計制造系統(tǒng)。

(2)適應(yīng)于超級并行計算機(jī)和機(jī)群的高性能模具CAE求解技術(shù)。

(3)模具CAE分析結(jié)果的數(shù)據(jù)挖掘及智能評估。

(4)模具CAE與模具CAD/CAM的無縫集成。

(5)面向模具制造的PDM系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用。

(6)PDM與模具CAD/CAM/CAE的集成。

(7)基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境CAD/CAE/CAM技術(shù)的模具異地協(xié)同設(shè)計與分析。

(8)模具設(shè)計知識庫系統(tǒng)研發(fā)。

5 我國模具CAD/CAE/CAM/PDM的發(fā)展建議

(1)建議政府有關(guān)部門建立模具發(fā)展基金,用于模具行業(yè)共性技術(shù)的開發(fā)、研究和創(chuàng)新項目,并對“龍頭企業(yè)”作重點支持。要在國家有關(guān)部門大力支持下,加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作,推進(jìn)模具行業(yè)科技開發(fā)和技術(shù)攻關(guān)工作,組織行業(yè)內(nèi)產(chǎn)學(xué)研重點單位分工合作、聯(lián)合工作、爭取早出成果,多出成果,共同享受成果,并使成果產(chǎn)業(yè)化,以迅速提高行業(yè)的技術(shù)水平。用電子信息工程等高新技術(shù)和先進(jìn)適用技術(shù)來改造企業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式,將先進(jìn)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

(2)建立服務(wù)體系,使中小企業(yè)廣泛受益。模具行業(yè)除個別企業(yè)外都是中小企業(yè),力量有限,特別是信息和技術(shù)開發(fā)方面更顯力不從心,他們難以完全依靠自己的力量去獨闖市場。如能建立針對廣大中小企業(yè)的行業(yè)服務(wù)體系,特別是信息和技術(shù)服務(wù)體系,使廣大中小企業(yè)從中受益,必將有利于行業(yè)的振興與發(fā)展。

(3)以企業(yè)為主體,發(fā)揮院校和科研單位作用,搞好產(chǎn)學(xué)研結(jié)合,盡快使成果產(chǎn)業(yè)化,并大力提高模具生產(chǎn)技術(shù)水平。

(4)自主開發(fā)和引進(jìn)。所謂引進(jìn),主要是引進(jìn)已商品化了的CAD/CAE/CAM軟件和設(shè)備,并對引進(jìn)的軟件加強(qiáng)二次開發(fā)工作。引進(jìn)軟件和設(shè)備的同時,相應(yīng)的人員培訓(xùn)相當(dāng)重要。